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Carences et toxicités métalliques chez les végétaux supérieurs. Caractérisation des réponses et adaptations physiologiques et moléculaires. Antoine Gravot – Université Rennes 1 UMR 118 – Amélioration des Plantes et Biotechnologies Végétales. 17 novembre 2010 Master 2 BioVIGPA. - PowerPoint PPT Presentation
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Carences et toxicités Carences et toxicités métalliques chez les métalliques chez les végétaux supérieursvégétaux supérieurs
Caractérisation des réponses Caractérisation des réponses et adaptations physiologiques et adaptations physiologiques
et moléculaireset moléculaires
Antoine Gravot – Université Rennes 1
UMR 118 – Amélioration des Plantes et Biotechnologies Végétales
17 novembre 2010
Master 2 BioVIGPA
La pollution diffuse par La pollution diffuse par les éléments traces est les éléments traces est devenue un sujet de devenue un sujet de préoccupation pour les préoccupation pour les pouvoirs publics et les pouvoirs publics et les filières professionnelles filières professionnelles
Prasad 1995 J.Exp.Bot
Contamination des sols: transferts des sols vers les plantes 2007Anne Tremel-Schaub,Isabelle Feix
La communauté scientifique internationale La communauté scientifique internationale s’est largement investie depuis 15 ans sur s’est largement investie depuis 15 ans sur
des problématiques de relation des problématiques de relation organismes/polluants inorganiques et de organismes/polluants inorganiques et de
bioremédiationbioremédiationPlant AND metals >9000
La communauté scientifique internationale La communauté scientifique internationale s’est largement investie depuis 15 ans sur s’est largement investie depuis 15 ans sur
des problématiques de relation des problématiques de relation organismes/polluants inorganiques et de organismes/polluants inorganiques et de
bioremédiationbioremédiationPlant AND metal 1600
Les contraintes métalliques chez Les contraintes métalliques chez les végétaux supérieurs: un les végétaux supérieurs: un
thème plus large que la thème plus large que la phytoremédiation…phytoremédiation…
Le mot “métaux” évoque aujourd’hui essentiellement le champs lexical de la pollution:
•Métaux lourds
•Polluants métalliques
mais… il est permis d’élargir la discussion…
Aujourd’hui nous parlerons bien sûr des pollutions métalliques mais également de la carence ferrique et de la
toxicité de l’aluminium
planplan Eléments généraux de biologie métalliqueEléments généraux de biologie métallique Homéostasie du fer : indispensable, dangereux Homéostasie du fer : indispensable, dangereux
et pas très disponibleet pas très disponible La toxicité de l’aluminium, un enjeu majeur de La toxicité de l’aluminium, un enjeu majeur de
la croissance sur sols acidesla croissance sur sols acides De la ferveur biotec autour de la De la ferveur biotec autour de la
phytoextraction du cadmium à la phytoextraction du cadmium à la compréhension des mécanismes de compréhension des mécanismes de l’homéostasie du zincl’homéostasie du zinc
La tolérance au nickel : un modèle La tolérance au nickel : un modèle incontournable de biologie des milieux incontournable de biologie des milieux extrêmesextrêmes
M.L. Guerinot
L. Kochian
C. Cobbett, D.Salt
U. Kramer
Eléments généraux de biologie Eléments généraux de biologie des métauxdes métaux
Métaux: réseau métallique à l’état solide, tendance à céder des électrons
Métaux de transition : capacité à établir des coordinations avec N, O, C
Métalloïdes : caractéristiques intermédiaires avec les non-métaux
Eléments traces: de la croûte terrestre / des organismes < 100 ppm
Métaux lourds : éléments formant des précipités insolubles avec les sulfures OU densité OU 6g.ml-1/n°A>20…
Micropolluants métalliques: éléments traces métalliques toxiques
Eléments généraux de biologie Eléments généraux de biologie des métauxdes métaux
Eléments essentiels : la carence compromet le cycle de développement et de reproduction, on peut corriger la carence par fertilisation, la fonction biologique est connue
Eléments favorables : favorisent la croissance
Oligoéléments : éléments traces essentiels
Ordres de grandeur Ordres de grandeur A. thaliana - hydroponie
Valeurs référence (Epstein 1994) Racines Feuilles R/F
ppm ppm DW ppm DW ratio % MSmacroéléments N 5 000à 60 000 0.5 à 6%
Ca 1 000 à 60 000 8 026 36 432 0.2 0.1à 6 %K 8 000 à 80 000 54 620 29 612 1.8 0.8 à 8%S 1000 à 15 000 9 021 7 502 1.2 0.1à 1.5%
Mg 5 000 à 10 000 6 199 7 125 0.9 0.5 à 1%P 1 500 à 5 000 9 183 6 093 1.5 0.15 à 0.5 %
microéléments Cl 10 à 80 000Mn 10 à 600 3 848 336 11.4Fe 20 à 600 2 213 81 27.2Zn 10 à 250 504 72 7.0B 0.2 à 800 ND 39
Cu 2 à 50 40 9 4.5Mo 0.1 à 10Ni 0.05 à 5 68 6 12.4
non essentiels, souvent toxiques Al 0.5 à 500 213 17 12.5Cr 1.5 39.3 1.8 21.6Ag 4.9 0.4 12.7Cd 0.05 0.0 0.0
essentiels pour certaines plantes Na 10 à 80 000 1 304 570 2.3souvent bénéfiques Si 1 à 100 000
30-40% des protéines sont des 30-40% des protéines sont des métalloprotéinesmétalloprotéines
Eléments généraux de biologie Eléments généraux de biologie des métauxdes métaux
Métaux de transition et stress Métaux de transition et stress oxydatifoxydatif
Redox Haber Weiss ROS
Pas de cycle redox en conditions physiologiques…
Mais Cd/Hg/Ni provoquent la dépletion en glutathion + se substituent aux Cu ou au Fe
des métalloprotéines stress oxydatif indirect
Inégalité des stabilités des Inégalité des stabilités des complexes métalliques complexes métalliques série série
de Irving Williamsde Irving Williams Ca<Mn(II)<Fe(II)<Co(II)<Ni(II)<Cu(I)Ca<Mn(II)<Fe(II)<Co(II)<Ni(II)<Cu(I) Quelle que soit la nature du ligand (!)Quelle que soit la nature du ligand (!)
La prévention du chargement incorrect de métaux sur des métalloprotéines est le véritable enjeu il s’agit de maintenir des niveaux très faibles pour les métaux les plus compétitifs
•Transport membranaire/compartimentation
•Métallochaperones (à cuivre)
Transport membranaire: Transport membranaire: aspects éléctrochimiquesaspects éléctrochimiques
Des H+/ATPases acidifient la solution du sol, le Des H+/ATPases acidifient la solution du sol, le xylème, les vacuoles…xylème, les vacuoles…
Les cations diffusent spontanément vers le Les cations diffusent spontanément vers le cytoplasme cytoplasme l’exclusion cellulaire, la l’exclusion cellulaire, la séquestration vacuolaire et le chargement du séquestration vacuolaire et le chargement du xylème nécessitent un transport actifxylème nécessitent un transport actif
Equation de Nernst :Equation de Nernst :– Log (Ci/Co)=-z Log (Ci/Co)=-z E / 59 (à 25°C)E / 59 (à 25°C)– Ci concentration interneCi concentration interne– Co concentration externeCo concentration externe– z charge de l’élémentz charge de l’élément E potentiel membranaireE potentiel membranaire
Cf le chapitre du Hopkins (de boeck) sur l’assimilation des minéraux
--> Elements de reflexion sur la composition --> Elements de reflexion sur la composition de la solution nutritivede la solution nutritive
Solution Hoagland ppm racine theorique Valeurs référence feuillesRacines Feuilles
µMMasse molaire ppm dEnj-90mV -100 mV -110 mV ppm ppm FW ppm FW
macroéléments N (NO3-) 15000 14 210 6 4 3 Abs 5 000à 60 000Ca 5000 40 200 224 842 490 750 1 071 133 Ex 1 000 à 60 000 803 3643K 6000 39 234 7 846 11 591 17 125 Diff 8 000 à 80 000 5462 2961
S (SO4) 2000 32 64 0.06 0.03 0.01 Abs 1000 à 15 000 902 750Mg 2000 24 48 53 962 117 780 257 072 Ex 5 000 à 10 000 620 713P 1000 30 30 0.89 0.61 0.41 Abs 1 500 à 5 000 918 609
microéléments Cl 0.8 10 à 80 000Mn 10.7 55.0 0.59 659 1437 3137 10 à 600 385 34Fe 27.0 55.0 1.49 1669 3644 7953 20 à 600 221 8Zn 1.4 65.0 0.09 102 222 484 10 à 250 50 7B 32.3 10.8 0.35 0.010 0.007 0.005 0.2 à 800 4
Cu 0.4 63.5 0.03 0.9 1.3 1.9 2 à 50 4 1Mo 1.2 0.1 à 10Ni 0.1 59 0.01 6.6 14.5 31.6 0.05 à 5 7 1
non essentiels, souvent toxiques Al 0.01 27 0.00 10.2 32.8 105.8 0.5 à 500 21 2Cr 1.5 4 0Ag 0 0Cd 1 112 0.11 126 275 600 0.05 0 0
essentiels pour certaines plantes Na 54 23 1.24 41.6 61.5 90.9 10 à 80 000 130 57souvent bénéfiques Si 1 à 100 000
Eléments traces: Eléments traces: l’engorgement racinaire est la l’engorgement racinaire est la
règle générale règle générale A. thaliana - hydroponieValeurs référence
(Epstein 1994) Racines Feuilles R/Fppm ppm DW ppm DW ratio % MS
macroéléments N 5 000à 60 000 0.5 à 6%Ca 1 000 à 60 000 8 026 36 432 0.2 0.1à 6 %K 8 000 à 80 000 54 620 29 612 1.8 0.8 à 8%S 1000 à 15 000 9 021 7 502 1.2 0.1à 1.5%
Mg 5 000 à 10 000 6 199 7 125 0.9 0.5 à 1%P 1 500 à 5 000 9 183 6 093 1.5 0.15 à 0.5 %
microéléments Cl 10 à 80 000Mn 10 à 600 3 848 336 11.4Fe 20 à 600 2 213 81 27.2Zn 10 à 250 504 72 7.0B 0.2 à 800 ND 39
Cu 2 à 50 40 9 4.5Mo 0.1 à 10Ni 0.05 à 5 68 6 12.4
non essentiels, souvent toxiques Al 0.5 à 500 213 17 12.5Cr 1.5 39.3 1.8 21.6Ag 4.9 0.4 12.7Cd 0.05 0.0 0.0
essentiels pour certaines plantes Na 10 à 80 000 1 304 570 2.3souvent bénéfiques Si 1 à 100 000
Les racines sont souvent les premières victimes des intoxications métalliques
Homéostasie du ferHoméostasie du fer
Indispensable, dangereux et Indispensable, dangereux et pas très disponiblepas très disponible
Indispensable mais pas très Indispensable mais pas très disponibledisponible
Guérinot 1994 Plant Physiology
Régions calcaires = 1/3 de la surface
Acidification de la rhizosphère
Réduction du Fe(III) en Fe(II) plus soluble
Chélation
Modèle il y a 15 ansModèle il y a 15 ans
Stratégie IStratégie I
Lòpez-Bucio 2003 Current Opinion in Plant Biology, 6:280–287
Acidification de la rhizosphère
indicateur de pH coloré (Bromocresol pourpre)
Equipe de Marschner dans Plant Physiol. (1984) 76, 603-606
Architecture racinaire
Implication d’une réduction du Implication d’une réduction du FeFe3+ 3+ avant absorptionavant absorption
Expériences de Chaney et Brown Expériences de Chaney et Brown (1971, Plant Physiology)(1971, Plant Physiology)– Chélation spécifique du Fe2+ par le
BPDS supprime l’absorption de Fer – Chélation spécifique du Fe3+ par le
EDDHA n’a pas d’effet sur l’absorption de fer
Guérinot PNAS | May 1, 2007 | vol. 104 | no. 18 | 7311-7312
Clonage de IRT1Clonage de IRT1 Equipe ML GuérinotEquipe ML Guérinot
– Complémentation fonctionnelle du Complémentation fonctionnelle du mutant mutant fet3fet4 fet3fet4 à partir d’une banque à partir d’une banque de cDNAde cDNA 6 clones, tous identiques IRT1, non-6 clones, tous identiques IRT1, non-
homologues de FET3/FET4homologues de FET3/FET4
Eide et al. Proc Natl Acad Sci U S A. 1996 May 28;93(11):5624-8
Iron
Le mutant confirme la Le mutant confirme la fonction…fonction…
Clonage de FRO2 (Equipe ML Clonage de FRO2 (Equipe ML Guérinot)Guérinot)
Primers sur les zones Primers sur les zones conservées de conservées de gp91phox et FRE1 gp91phox et FRE1 fragment fragment criblage criblage d’une banque de cDNA d’une banque de cDNA FRO2 et FRO1 FRO2 et FRO1
Criblage de mutants Criblage de mutants déficients pour déficients pour l’activité ferric chelate l’activité ferric chelate reductase reductase clonage clonage positionnel de positionnel de frd1frd1
La surexpression de La surexpression de FRO1 complémente FRO1 complémente frd1frd1
Robinson NATURE | VOL 397 | 1999
Ajout à nouveau de Fer 100µM
Vert et al. Plant Physiology, June 2003, Vol. 132, pp. 796–804
L’homéostasie du Fer…et les L’homéostasie du Fer…et les conséquences indirectes sur le conséquences indirectes sur le
ionomeionomeIRT1
Baxter 2009 PNAS
Compétition Fe / Cd pour Compétition Fe / Cd pour IRT1IRT1
Design de sélectivité pour IRT1Design de sélectivité pour IRT1
Rodgers et al. PNAS 2000 97 (22) 12356–12360
Le design et l’expression chez le riz Le design et l’expression chez le riz d’une ferric reductase efficiente à pH d’une ferric reductase efficiente à pH élevé augmente la tolérance aux sols élevé augmente la tolérance aux sols
calcairescalcaires
Ishimaru PNAS 2009
Absorption du fer : stratégie Absorption du fer : stratégie IIII
Les graminées sont très tolérantes aux Les graminées sont très tolérantes aux carences en fercarences en fer redevable à la stratégie II : forte corrélation redevable à la stratégie II : forte corrélation
entre la quantité de sidérophores relargués et entre la quantité de sidérophores relargués et la tolérance aux carences en fer (Marschner la tolérance aux carences en fer (Marschner 1995)1995)
– Exeption : Le riz ne relargue pas beaucoup de Exeption : Le riz ne relargue pas beaucoup de sidérophores sidérophores sensible aux carences en fer sensible aux carences en fer
Guérinot Nature Biotechnology 19, 417 - 418 (2001)
Guérinot PNAS | May 1, 2007 | vol. 104 | no. 18 | 7311-7312
YS1YS1
Mutant YS1 décrit en 1929 par Beadle
1990 : déficience pour le transport de phytosidérophores
2001 : clonage du gène ZmYS1 à l’aide d’une banque de mutants de transposons
Confirmation fonctionnelle par Confirmation fonctionnelle par complémentation du mutant complémentation du mutant
fet3fet4fet3fet4
BPDS séquestration du
Fer libre
Conjugué Fer-phytosidéropho
re
YS1 s’exprime à la fois dans les YS1 s’exprime à la fois dans les feuilles et les racinesfeuilles et les racines
Roberts et al. (2004) Plant Physiology 135: 112–120
Immunoblot avec des anticorps anti-YS1
Et quand même…le mutant Et quand même…le mutant chloronerva chloronerva ??
Expériences de greffe (1960) substance mobile dont l’absence est responsable du phénotype
Identification du NA : 1974 Kristensen
Identification : la nicotianamine (1980 Phytochemistry)
Clonage positionnel (1999)
chloronervachloronerva
Expériences de greffe (1960) substance mobile dont l’absence est responsable du phénotype
Identification : la nicotianamine (1980 Phytochemistry)
Clonage positionnel (1999)
Modèle aujourd’hui SIModèle aujourd’hui SI
Palmer & Guerinot 2009
Modèle aujourd’hui SIIModèle aujourd’hui SII
Palmer & Guerinot 2009
La toxicité de La toxicité de l’aluminium, l’aluminium,
un enjeu majeur de la un enjeu majeur de la croissance sur sols acidescroissance sur sols acides
Contexte agricoleContexte agricole
Sols acides = 40 % terres arablesSols acides = 40 % terres arables Nombreux facteurs d’acidification des sols Nombreux facteurs d’acidification des sols
cultivéscultivés 2 problèmes majeurs : 2 problèmes majeurs :
– faible disponibilité en Pfaible disponibilité en P– Forte disponibilité en AlForte disponibilité en Al
Grande variabilité génotypiqueGrande variabilité génotypique– Forte corrélation entre les caractères de Forte corrélation entre les caractères de
tolérance aux sols acides / aluminiumtolérance aux sols acides / aluminium– Variétés tolérantes pour bcp de plantes Variétés tolérantes pour bcp de plantes
cultivéescultivées
Symptômes racinairesSymptômes racinaires Al3+ Al3+ gradient gradient
electrochimique très electrochimique très favorable à l’absorptionfavorable à l’absorption
Mécanismes de toxicité Mécanismes de toxicité mal connus mal connus – Action sur les pectinesAction sur les pectines
Rôle majeur des acides Rôle majeur des acides organiques dans la organiques dans la tolérancetolérance
Ma et al. 2001
Chélation Chélation intracellulaireintracellulaire
Barcelo 2002
Chélation extracellulaireChélation extracellulaire
2004 : Clonage d’2004 : Clonage d’ALMT1 ALMT1 codant un codant un canal malate racinaire activé par canal malate racinaire activé par
l’aluminiuml’aluminium
Cloné chez le blé, surexprimé chez l’orge
Delhaize 2004 PNAS
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